JP3720681B2 - レーザー式はんだ付け方法及び装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザービームを使用してＩＣやＬＳＩなどの電子部品やその他のワークを精密にはんだ付けするための手段に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザービームを使用してはんだ付けする技術は、例えば特開昭５８−１６１３９６号公報や特開平６３−１３７５７６号公報等に開示されているように既に公知である。これらの技術は、はんだ付けヘッドからプリント基板等のはんだ付け対象に向けてレーザービームを投射し、このレーザービームの熱ではんだを溶融させてはんだ付けするもので、非接触ではんだ付けを行うことができるという利点がある。
【０００３】
このようなレーザービームによるはんだ付けにおいては、初めに、はんだ付け対象に対してレーザービームを適正な位置関係を保って投射できるようにそれらの位置決めを行わなければならない。例えば図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、プリント基板１の複数の接続孔２の回りに印刷された金属パターン３と、各接続孔２に挿入された電子部品４のコネクターピン５とをはんだ付けする場合には、図５にその一つを拡大して示すように、第１番目の金属パターン３の位置で、該金属パターン３とコネクターピン５との両方にレーザービーム６が適正な割合で投射されるようにそれらの位置決めをし、その後に糸状はんだ７を供給してはんだ付けを行うようにしている。
【０００４】
そして、このような位置決めを行う場合従来では、レーザービームに可視光域がある場合にはそのレーザービームをはんだ付け対象に投射し、その投射部分を肉眼で観察しながらはんだ付けヘッド又はワークを変移させて位置決めを行っていた。また、レーザービームに可視光域がない場合には、Ｈｅ−Ｎｅレーザー等で可視光を作ってそれを疑似的に投射し、同様に肉眼で観察しながら位置決めを行っていた。
【０００５】
ところが、上記レーザービームは非常に細い光線であると共に、はんだ付け対象も非常に小さいポイントであって、はんだ付けのための作業スペースも狭いため、作業者がはんだ付け対象に顔を近づけてその部分を正視することは困難で、斜め上方からしか覗き見ることができない。このため、はんだ付け対象を肉眼で観察しながらレーザービームの位置決めを行うのは非常に難しく、精度の良い位置決めを短時間で効率良く行うのは殆ど不可能に近かった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の技術的課題は、はんだ付け対象にレーザービームを投射してはんだ付けするに当たり、上記レーザービームの投射位置の位置決めを短時間で簡単かつ精度良く行うことができるようにすると共に、その後のはんだ付けの精度をも高めることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明によれば、はんだ付け用のレーザービームをはんだ付け対象に向けて投射するためのはんだ付けヘッドに、上記レーザービームと光軸を一致させて撮像用のカメラを取り付け、このカメラではんだ付け対象を撮像してその画像をモニター画面上に映し出すと共に、このモニター画面上に、上記レーザービームの投射位置及び径を設定するための投射スポットを、該レーザービームの光軸上に位置して大きさを変更可能なるように表示し、このモニター画面上ではんだ付け対象と投射スポットとの位置関係を観察しながら、上記はんだ付けヘッドとはんだ付け対象とを相対的に変移させて上記投射スポットの位置決めを行うと共に該投射スポットの大きさの調整を行ったあと、上記はんだ付けヘッドからはんだ付け対象に、上記投射スポットに応じたビーム径のレーザービームを投射してはんだ付けすることを特徴とするレーザー式はんだ付け方法が提供される。
【０００８】
このように本発明によれば、拡大表示されたモニター画面上ではんだ付け対象とレーザービームの投射スポットとの位置関係を確認しながらそれらの位置決めを行うことにより、微細なはんだ付けポイントを斜め上方から肉眼で観察しながら位置決めする従来方法に比べ、位置決め作業を短時間で非常に精度良く行うことができ、この結果、そのあとのはんだ付けの精度も向上するだけでなく、はんだ付け作業全体に要する時間も大幅に短縮されて作業効率が向上する。
【０００９】
本発明において好ましくは、上記はんだ付けヘッドに設けたガス噴射口から、所要の温度に予備加熱されたホット不活性ガスをレーザービームの光軸に沿って噴射しながらはんだ付けすることである。これにより、はんだの酸化や不良はんだ等が確実に防止され、はんだ付け精度が一層向上する。
【００１０】
また、上記方法を実施するため本発明によれば、はんだ付け用のレーザービームをはんだ付け対象に向けて投射するためのはんだ付けヘッドと、このはんだ付けヘッドに接続されたレーザー機構と、上記はんだ付けヘッドにレーザービームと光軸を一致させて取り付けられた撮像用のカメラと、このカメラが撮像したはんだ付け対象の画像を画面上に映し出すと共に、この画面上に、上記レーザービームの投射位置及び径を設定するための投射スポットを、該レーザービームの光軸上に位置して大きさを変更可能なるように表示するためのモニターと、上記投射スポットに応じてレーザービームのビーム径を切り換えるための切換手段と、上記はんだ付け対象とはんだ付けヘッドとを相対的に変移させることによって上記投射スポットの位置決めを行うと共に、該投射スポットの大きさを調整する制御装置と、を有することを特徴とするレーザー式はんだ付け装置が提供される。
この場合、上記はんだ付けヘッドを可動アームに支持させ、この可動アームを制御装置で制御するようにしても良い。
【００１１】
上記構成を有するはんだ付け装置は、はんだ付けヘッドに撮像用のカメラをレーザービームと光軸を共有させて取り付けることにより、該はんだ付けヘッドをレーザービームの投射用とカメラによる撮像用とに共用しているため、その構造が簡単かつ合理的で、はんだ付け対象に対するレーザービーム投射スポットの位置決めを簡単かつ精度良く行うことができるだけでなく、位置決めが完了したあとそのまま直ちにレーザービームによるはんだ付け作業に移行することができ、位置決め後にカメラを別の非使用位置に移動させたりする必要がない。
【００１２】
本発明において上記はんだ付けヘッドは、レーザービーム用投射口を先端に有する筒状のケーシングと、該ケーシングの内部に配設された光学レンズと、該光学レンズよりもケーシング基端部寄りの位置に光軸に対して４５度傾斜させて配設されたハーフミラーとを有していて、該ケーシングの基端部に上記カメラが、これらのハーフミラー及び光学レンズを通して上記投射口からはんだ付け対象を撮像可能なるように取り付けられると共に、ケーシングの側面の上記ハーフミラーに対応する位置に形成されたファイバー接続部に、上記レーザー機構からのレーザービームをハーフミラーに向けて出力するための光ファイバーが接続されている。
【００１３】
上記はんだ付けヘッドにおけるファイバー接続部には、光ファイバーから出力されるレーザービームのビーム径を切り換えるための上記切換手段を設けることができる。
【００１４】
また、上記はんだ付けヘッドには、不活性ガスをレーザービームの光軸に沿って噴射するためのガス噴射口を設け、このガス噴射口に、予備加熱されたホット不活性ガスを供給するためのガス供給機構を接続できるようにすることが望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係るはんだ付け装置の好ましい代表的な実施形態を例示するもので、このはんだ付け装置は、５軸（５自由度）の多関節型ロボットとして構成されている。図中１０は作業用の基台、１１は該基台１０上に設置されたロボット本体、１２は該ロボット本体１１から前方に延出する５自由度を持った旋回及び屈伸自在の多関節可動アーム、１３は該可動アーム１２の先端に取り付けられたはんだ付けヘッド、１４は上記基台１０上にセットされた例えば図４に示すプリント基板１のようなはんだ付け対象、１５は上記可動アーム１２を制御するための制御装置を示している。
【００１６】
上記はんだ付けヘッド１３は、図２から分かるように、円筒形をしたケーシング１７を有している。このケーシング１７は、その先端部にレーザービームＢを投射するための投射口１８を有し、内部には、レーザービームＢの光軸Ｌに沿って、レーザービームＢの投射用とカメラ１９による撮像用とに共用される一対の光学レンズ２０ａ，２０ｂと、これらの光学レンズ２０ａ，２０ｂよりもケーシング基端部寄りの位置に光軸Ｌに対して４５度傾斜させて配設されたハーフミラー２１とが設けられている。
【００１７】
そして、上記ケーシング１７の基端部には、上記光軸Ｌ上の位置にカメラ用取付部２２が形成され、この取付部２２に上記カメラ１９が、上記ハーフミラー２１及び光学レンズ２０ａ，２０ｂを通してはんだ付け対象１４を正面から撮像可能なるように取り付けられている。また、該ケーシング１７の側面の上記ハーフミラー２１に対応する位置には、ファイバー接続部２３が形成され、この接続部２３に、レーザー機構２５から延びる光ファイバー２６の先端部が、ハーフミラー２１に対して４５度の入力角度でレーザービームＢを投射可能なるように接続されている。そして、はんだ付け作業時にこの光ファイバー２６から出力されたレーザービームＢが、上記ハーフミラー２１で光軸Ｌに沿って９０度屈折されたあと、光学レンズ２０ａ，２０ｂを通って投射口１８からはんだ付け対象１４に投射されるようになっている。従って上記レーザービームＢとカメラ１９とは、ハーフミラー２１から一対の光学レンズ２０ａ，２０ｂを通ってはんだ付け対象１４に至る光学路において、一つの光軸Ｌを共有している。
【００１８】
上記レーザー機構２５は、レーザーダイオードの励起によってレーザービームＢを発生させる発振部２７と、この発振部２７をコントロールするための制御部２８と、上記発振部２７から出力されるレーザービームＢをはんだ付けヘッド１３に導くための上記光ファイバー２６とを有し、上記制御部２８は制御装置１５に内蔵されている。
【００１９】
また、上記はんだ付けヘッド１３におけるファイバー接続部２３には、光ファイバー２６の端部からハーフミラー２１に向けて投射されるレーザービームＢのビーム径をはんだ付け条件に応じて大小に切り換えるための、シャッター３０が設けられている。このシャッター３０は、大小径の異なる複数の導光孔３１を備えていて、ケーシング１７内の上記光ファイバー２６の先端に近接する位置に変移自在なるように取り付けられており、それを変移させて光ファイバー２６に対面する導光孔３１を切り換えることにより、該光ファイバー２６から出力されるレーザービームＢのビーム径を大小に切り換えるものである。この場合に上記シャッター３０は、複数の導光孔３１を一列に並べて形成し、該シャッター３０を直線的にスライドさせて上記導光孔３１を切り換えるように構成しても、複数の導光孔３１を円弧状に並べて形成し、円弧の中心を支点として該シャッター３０を回動させることにより上記導光孔３１を切り換えるように構成しても良い。なお、このシャッター３０の無孔の部分を利用してレーザービームＢを遮断できるようにしておくことが望ましい。
【００２０】
一方、上記カメラ１９には、撮像したはんだ付け対象１４の画像を画面上に拡大して映し出すためのモニター３３が接続されている。このモニター３３は、図３からも分かるように、レーザービームＢの光軸Ｌ上に位置する投射スポット３４を、縦横それぞれ２本ずつの罫線３５ａ，３５ａ及び３５ｂ，３５ｂで囲まれた部分によって表示できるようになっている。そして、この画面上で上記はんだ付け対象１４と上記投射スポット３４との位置関係を観察しながら、可動アーム１２を操作してはんだ付けヘッド１３の位置を微調整することにより、上記はんだ付け対象１４と投射スポット３４とをはんだ付けのための適正な位置関係となるように位置決めするものである。即ち、位置決め前の画像である図３（Ａ）に示すように、投射スポット３４がプリント基板１上の金属パターン３と電子部品４のコネクターピン５の両方に正しい割合で重なっていない状態から、この画像を見ながらはんだ付けヘッド１３の位置を微調整して投射スポット３４を変移させることにより、同図（Ｂ）に示すように、上記投射スポット３４が金属パターン３とコネクターピン５の両方に適正な割合で重なるようにその位置決めを行うものである。
【００２１】
かくして投射スポット３４の位置決めを行った後にはんだ付けヘッド１３からレーザービームＢを投射してはんだ付けすると、該レーザービームＢは上記投射スポット３４の位置に投射されるため、上記金属パターン３とコネクターピン５とが非常に高い精度で確実にはんだ付けされることになる。
【００２２】
なお、上記の如く投射スポット３４の位置決めを行う場合、上記投射スポット３４は罫線３５ａ，３５ａ及び３５ｂ，３５ｂのみによって表示され、その部分に実際にレーザービームＢは投射されない。しかし、必要に応じてレーザービームＢを出力を落とした状態で投射しても良い。また、上記投射スポット３４の大きさは罫線の間隔を調整することによって変更することができる。従って、金属パターン３やコネクターピン５の形状や大きさなどの条件に応じて最適な投射スポット３４の径を選択することができ、それに基づいてレーザービームＢのビーム径が上記シャッター３０により大小に切り換えられる。
【００２３】
上記位置決め作業を行うときにはんだ付け対象１４を照らすため、観察用照明機構４０が設けられている。この観察用照明機構４０は、光源４１からの光を光ファイバー４２ではんだ付け対象１４の近くに設置されている光学ヘッド４３まで導き、この光学ヘッド４３から上記プリント基板１等のはんだ付け対象１４に向けて照射するものである。しかし、通常のランプで直接はんだ付け対象１４を照らすようにしても良い。
【００２４】
上記はんだ付けヘッド１３にはまた、はんだ付け部分に糸状はんだ４６を供給するためのはんだ供給機構４５と、窒素ガス等の不活性ガスを噴射するためのガス供給機構４７とが付設され、上記制御装置１５でそれらの動作が制御されるようになっている。
【００２５】
上記はんだ供給機構４５は、リールに巻いた糸状はんだを必要量ずつ繰り出す供給部４９と、該供給部４９からの糸状はんだ４６をはんだ付け対象１４に向けて送り込むためのはんだガイド５０とを含み、このはんだガイド５０で供給される糸状はんだ４６を上記レーザービームＢで溶融させてはんだ付けするものである。この場合、上記はんだガイド５０にヒーターを設け、このヒーターで糸状はんだ４６を予備加熱するように構成することが望ましい。また、上記糸状はんだ４６としては、鉛成分を含まない鉛フリーはんだを使用することが望ましい。
【００２６】
一方、上記ガス供給機構４７は、窒素ガス等の不活性ガスを配管５１を通じて供給するためのガス供給源５２と、このガス供給源５２からの不活性ガスを予備加熱するためのヒーター５３とを有し、このヒーター５３で予備加熱された高温のホット不活性ガスをガス噴射口５４からはんだ付け対象１４に向けて噴射するものである。
【００２７】
上記ガス噴射口５４は、はんだ付けヘッド１３におけるケーシング１７の先端に設けられていて、レーザービームＢを投射するための上記投射口１８によって兼用されている。また、上記ケーシング１７の先端部側面には、上記配管５１を接続するためのポート５５が設けられ、このポート５５が通孔５６によって上記投射口１８に連通している。そして、この投射口１８即ちガス噴射口５４を通じてホット不活性ガスを、レーザービームＢの光軸Ｌに沿ってはんだ付け対象１４に噴射できるようになっている。しかし、上記ガス噴射口５４は投射口１８とは別に設けても良く、この場合、投射口１８の回りを取り囲むように形成することが望ましい。
【００２８】
かくしてホット不活性ガスを噴射しながらはんだ付けを行うことにより、レーザービームＢがホット不活性ガスで回りを完全に包み込まれて冷気との接触による温度低下が防止されると共に、このホット不活性ガスではんだ付け対象１４の補助加熱が行われるため、レーザービームＢのエネルギーを有効に利用して効率良くはんだ付けすることができる。しかも、不活性ガス雰囲気中において大気からシールドした状態ではんだ付けを行うことができるため、はんだの酸化や不良はんだが防止されるだけでなく、フラックスの飛散や残渣が減少し、はんだ付け精度が向上する。この不活性ガス中には、水素ガスのような還元性ガスを混合することができる。
【００２９】
上記構成を有するはんだ付け装置で例えば図４（Ａ），（Ｂ）に示すようなプリント基板１のはんだ付けを行う場合は、先ず、第１番目のはんだ付けポイントにおいて、レーザービームＢが金属パターン３とコネクターピン５の両方に適正な割合で投射されるように、それらの位置決めを行う。この位置決めは、はんだ付けヘッド１３に取り付けられたカメラ１９で上記第１番目の金属パターン３とコネクターピン５とを撮像し、図３（Ａ）に示すようにその画像をモニター３３の画面上に映し出し、この画面を見ながら、制御装置１５により可動アーム１２を動かしてはんだ付けヘッド１３の位置を微調整することにより、図３（Ｂ）に示すように、画面上に罫線３５ａ，３５ａ及び３５ｂ，３５ｂで表示された投射スポット３４が金属パターン３とコネクターピン５の両方に適正な割合で重なるように調整することにより行う。
【００３０】
そして、上記位置決めが完了したあと、制御装置１５のはんだ付け開始ボタンを押すと、はんだ付けヘッド１３からレーザービームＢが投射されると共に、はんだガイド５０から糸状はんだ４６が必要量ずつ自動的に供給され、さらに、はんだ付けヘッド１３の先端のガス噴射口５４から高温のホット不活性ガスがはんだ付け対象１４に向けて噴射され、この不活性ガスの雰囲気中ではんだ付けが行われる。この場合、上記金属パターン３の配置や配列間隔、数などの、自動運転に必要な諸条件を予めティーチングによって制御装置１５に設定しておくことにより、第１番目のはんだ付けポイント上で上記位置決めを行うことで、その位置関係を保ったまま各はんだ付けポイントが次々と自動的にはんだ付けされることになる。
【００３１】
かくして、モニター３３の画面上に拡大表示されたはんだ付け対象１４とレーザービームＢの投射スポット３４との位置関係を確認しながら、それらの位置決めを行うことにより、微細なはんだ付けポイントを斜め上方から肉眼で観察しながら位置決めする従来方法に比べ、位置決め作業を短時間で非常に精度良く行うことができ、この結果、そのあとのはんだ付けの精度も向上するだけでなく、はんだ付け作業全体に要する時間も大幅に短縮されて作業効率が向上する。
【００３２】
また、はんだ付けヘッド１３に撮像用のカメラ１９をレーザービームＢと光軸Ｌを共有させて取り付けることにより、該はんだ付けヘッド１３をレーザービームＢの投射用とカメラ１９による撮像用とに共用しているため、その構造が簡単かつ合理的で、はんだ付け対象１４とレーザービームＢの投射スポット３４との位置決めを簡単かつ精度良く行うことができるだけでなく、位置決めが完了したあとそのまま直ちにレーザービームＢによるはんだ付け作業に移行することができ、位置決め後にカメラ１９を別の非使用位置に移動させる必要がない。
【００３３】
しかも、位置決めに当たって実際にレーザービームＢを投射する必要がないため、レーザービームＢに可視光域がない場合でも、Ｈｅ−Ｎｅレーザー等でわざわざ可視光を作ってそれを疑似的に投射する必要がなく、位置決め作業を簡単かつ安全に行うことができる。
【００３４】
なお、上記実施例では、糸状はんだ４６を使用する例が示されているが、溶融状態にあるクリーム状はんだをノズル状のはんだガイドから供給、塗布しながらはんだ付けするように構成することもできる。あるいは、はんだ付けポイントに予め塗布してあるクリーム状はんだをレーザービームで溶融させてはんだ付けするように構成することもできる。
【００３５】
また、上記実施例は、はんだ付け対象１４を基台１０上に固定的にセットし、ロボットの可動アーム１２に取り付けたはんだ付けヘッド１３を動かしてレーザービームＢの位置決めとはんだ付けとを行うようにしているが、はんだ付け対象１４をＹ−Ｙテーブル上に載置すると共に、はんだ付けヘッド１３をＺ方向に移動可能とし、レーザービームＢの位置決め時には上記Ｙ−Ｙテーブルによりはんだ付け対象１４を変移させ、はんだ付け時にはＹ−Ｙテーブルとはんだ付けヘッド１３とを動かすようにしても良い。
【００３６】
さらに、上記実施例では、手動操作ではんだ付けヘッド１３又ははんだ付け対象１４を変移させることによってレーザービームＢの位置決め行うようにしているが、カメラ１９が撮像した画像を制御装置１５に内蔵した画像処理装置に取り込み、この画像処理装置で金属パターン３及びコネクターピン５と投射スポット３４とが適正な位置関係となるように画像処理を施すと共に、それに応じてはんだ付けヘッド１３とはんだ付け対象１４とを自動的に相対変移させることによって位置決めするように構成することもできる。
【００３７】
【発明の効果】
このように本発明によれば、はんだ付け対象にレーザービームを投射してはんだ付けするに当たり、上記レーザービームの投射位置の位置決めを短時間で簡単かつ精度良く行うことができると共に、その後のはんだ付けの精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るはんだ付け装置の一実施形態を示す側面図である。
【図２】はんだ付けヘッドの拡大断面図である。
【図３】（Ａ），（Ｂ）は、モニター画面に映し出された位置決め前の画像と位置決め後の画像を示す正面図である。
【図４】（Ａ）はんだ付け対象の側面図、（Ｂ）はその平面図である。
【図５】図４のはんだ付け対象の一部を拡大して示す平面図である。
【符号の説明】
Ｂ レーザービーム
Ｌ 光軸
１２ 可動アーム
１３ はんだ付けヘッド
１４ はんだ付け対象
１５ 制御装置
１７ ケーシング
１８ 投射口
１９ カメラ
２０ａ，２０ｂ 光学レンズ
２１ ハーフミラー
２３ ファイバー接続部
２５ レーザー機構
２６ 光ファイバー
３０ シャッター
３３ モニター
３４ 投射スポット
４６ 糸状はんだ
４７ ガス供給機構
５１ 配管
５４ ガス噴射口
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザービームを使用してＩＣやＬＳＩなどの電子部品やその他のワークを精密にはんだ付けするための手段に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザービームを使用してはんだ付けする技術は、例えば特開昭５８−１６１３９６号公報や特開平６３−１３７５７６号公報等に開示されているように既に公知である。これらの技術は、はんだ付けヘッドからプリント基板等のはんだ付け対象に向けてレーザービームを投射し、このレーザービームの熱ではんだを溶融させてはんだ付けするもので、非接触ではんだ付けを行うことができるという利点がある。
【０００３】
このようなレーザービームによるはんだ付けにおいては、初めに、はんだ付け対象に対してレーザービームを適正な位置関係を保って投射できるようにそれらの位置決めを行わなければならない。例えば図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、プリント基板１の複数の接続孔２の回りに印刷された金属パターン３と、各接続孔２に挿入された電子部品４のコネクターピン５とをはんだ付けする場合には、図５にその一つを拡大して示すように、第１番目の金属パターン３の位置で、該金属パターン３とコネクターピン５との両方にレーザービーム６が適正な割合で投射されるようにそれらの位置決めをし、その後に糸状はんだ７を供給してはんだ付けを行うようにしている。
【０００４】
そして、このような位置決めを行う場合従来では、レーザービームに可視光域がある場合にはそのレーザービームをはんだ付け対象に投射し、その投射部分を肉眼で観察しながらはんだ付けヘッド又はワークを変移させて位置決めを行っていた。また、レーザービームに可視光域がない場合には、Ｈｅ−Ｎｅレーザー等で可視光を作ってそれを疑似的に投射し、同様に肉眼で観察しながら位置決めを行っていた。
【０００５】
ところが、上記レーザービームは非常に細い光線であると共に、はんだ付け対象も非常に小さいポイントであって、はんだ付けのための作業スペースも狭いため、作業者がはんだ付け対象に顔を近づけてその部分を正視することは困難で、斜め上方からしか覗き見ることができない。このため、はんだ付け対象を肉眼で観察しながらレーザービームの位置決めを行うのは非常に難しく、精度の良い位置決めを短時間で効率良く行うのは殆ど不可能に近かった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の技術的課題は、はんだ付け対象にレーザービームを投射してはんだ付けするに当たり、上記レーザービームの投射位置の位置決めを短時間で簡単かつ精度良く行うことができるようにすると共に、その後のはんだ付けの精度をも高めることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明によれば、はんだ付け用のレーザービームをはんだ付け対象に向けて投射するためのはんだ付けヘッドに、上記レーザービームと光軸を一致させて撮像用のカメラを取り付け、このカメラではんだ付け対象を撮像してその画像をモニター画面上に映し出すと共に、このモニター画面上に、上記レーザービームの投射位置及び径を設定するための投射スポットを、該レーザービームの光軸上に位置して大きさを変更可能なるように表示し、このモニター画面上ではんだ付け対象と投射スポットとの位置関係を観察しながら、上記はんだ付けヘッドとはんだ付け対象とを相対的に変移させて上記投射スポットの位置決めを行うと共に該投射スポットの大きさの調整を行ったあと、上記はんだ付けヘッドからはんだ付け対象に、上記投射スポットに応じたビーム径のレーザービームを投射してはんだ付けすることを特徴とするレーザー式はんだ付け方法が提供される。
【０００８】
このように本発明によれば、拡大表示されたモニター画面上ではんだ付け対象とレーザービームの投射スポットとの位置関係を確認しながらそれらの位置決めを行うことにより、微細なはんだ付けポイントを斜め上方から肉眼で観察しながら位置決めする従来方法に比べ、位置決め作業を短時間で非常に精度良く行うことができ、この結果、そのあとのはんだ付けの精度も向上するだけでなく、はんだ付け作業全体に要する時間も大幅に短縮されて作業効率が向上する。
【０００９】
本発明において好ましくは、上記はんだ付けヘッドに設けたガス噴射口から、所要の温度に予備加熱されたホット不活性ガスをレーザービームの光軸に沿って噴射しながらはんだ付けすることである。これにより、はんだの酸化や不良はんだ等が確実に防止され、はんだ付け精度が一層向上する。
【００１０】
また、上記方法を実施するため本発明によれば、はんだ付け用のレーザービームをはんだ付け対象に向けて投射するためのはんだ付けヘッドと、このはんだ付けヘッドに接続されたレーザー機構と、上記はんだ付けヘッドにレーザービームと光軸を一致させて取り付けられた撮像用のカメラと、このカメラが撮像したはんだ付け対象の画像を画面上に映し出すと共に、この画面上に、上記レーザービームの投射位置及び径を設定するための投射スポットを、該レーザービームの光軸上に位置して大きさを変更可能なるように表示するためのモニターと、上記投射スポットに応じてレーザービームのビーム径を切り換えるための切換手段と、上記はんだ付け対象とはんだ付けヘッドとを相対的に変移させることによって上記投射スポットの位置決めを行うと共に、該投射スポットの大きさを調整する制御装置と、を有することを特徴とするレーザー式はんだ付け装置が提供される。
この場合、上記はんだ付けヘッドを可動アームに支持させ、この可動アームを制御装置で制御するようにしても良い。
【００１１】
上記構成を有するはんだ付け装置は、はんだ付けヘッドに撮像用のカメラをレーザービームと光軸を共有させて取り付けることにより、該はんだ付けヘッドをレーザービームの投射用とカメラによる撮像用とに共用しているため、その構造が簡単かつ合理的で、はんだ付け対象に対するレーザービーム投射スポットの位置決めを簡単かつ精度良く行うことができるだけでなく、位置決めが完了したあとそのまま直ちにレーザービームによるはんだ付け作業に移行することができ、位置決め後にカメラを別の非使用位置に移動させたりする必要がない。
【００１２】
本発明において上記はんだ付けヘッドは、レーザービーム用投射口を先端に有する筒状のケーシングと、該ケーシングの内部に配設された光学レンズと、該光学レンズよりもケーシング基端部寄りの位置に光軸に対して４５度傾斜させて配設されたハーフミラーとを有していて、該ケーシングの基端部に上記カメラが、これらのハーフミラー及び光学レンズを通して上記投射口からはんだ付け対象を撮像可能なるように取り付けられると共に、ケーシングの側面の上記ハーフミラーに対応する位置に形成されたファイバー接続部に、上記レーザー機構からのレーザービームをハーフミラーに向けて出力するための光ファイバーが接続されている。
【００１３】
上記はんだ付けヘッドにおけるファイバー接続部には、光ファイバーから出力されるレーザービームのビーム径を切り換えるための上記切換手段を設けることができる。
【００１４】
また、上記はんだ付けヘッドには、不活性ガスをレーザービームの光軸に沿って噴射するためのガス噴射口を設け、このガス噴射口に、予備加熱されたホット不活性ガスを供給するためのガス供給機構を接続できるようにすることが望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係るはんだ付け装置の好ましい代表的な実施形態を例示するもので、このはんだ付け装置は、５軸（５自由度）の多関節型ロボットとして構成されている。図中１０は作業用の基台、１１は該基台１０上に設置されたロボット本体、１２は該ロボット本体１１から前方に延出する５自由度を持った旋回及び屈伸自在の多関節可動アーム、１３は該可動アーム１２の先端に取り付けられたはんだ付けヘッド、１４は上記基台１０上にセットされた例えば図４に示すプリント基板１のようなはんだ付け対象、１５は上記可動アーム１２を制御するための制御装置を示している。
【００１６】
上記はんだ付けヘッド１３は、図２から分かるように、円筒形をしたケーシング１７を有している。このケーシング１７は、その先端部にレーザービームＢを投射するための投射口１８を有し、内部には、レーザービームＢの光軸Ｌに沿って、レーザービームＢの投射用とカメラ１９による撮像用とに共用される一対の光学レンズ２０ａ，２０ｂと、これらの光学レンズ２０ａ，２０ｂよりもケーシング基端部寄りの位置に光軸Ｌに対して４５度傾斜させて配設されたハーフミラー２１とが設けられている。
【００１７】
そして、上記ケーシング１７の基端部には、上記光軸Ｌ上の位置にカメラ用取付部２２が形成され、この取付部２２に上記カメラ１９が、上記ハーフミラー２１及び光学レンズ２０ａ，２０ｂを通してはんだ付け対象１４を正面から撮像可能なるように取り付けられている。また、該ケーシング１７の側面の上記ハーフミラー２１に対応する位置には、ファイバー接続部２３が形成され、この接続部２３に、レーザー機構２５から延びる光ファイバー２６の先端部が、ハーフミラー２１に対して４５度の入力角度でレーザービームＢを投射可能なるように接続されている。そして、はんだ付け作業時にこの光ファイバー２６から出力されたレーザービームＢが、上記ハーフミラー２１で光軸Ｌに沿って９０度屈折されたあと、光学レンズ２０ａ，２０ｂを通って投射口１８からはんだ付け対象１４に投射されるようになっている。従って上記レーザービームＢとカメラ１９とは、ハーフミラー２１から一対の光学レンズ２０ａ，２０ｂを通ってはんだ付け対象１４に至る光学路において、一つの光軸Ｌを共有している。
【００１８】
上記レーザー機構２５は、レーザーダイオードの励起によってレーザービームＢを発生させる発振部２７と、この発振部２７をコントロールするための制御部２８と、上記発振部２７から出力されるレーザービームＢをはんだ付けヘッド１３に導くための上記光ファイバー２６とを有し、上記制御部２８は制御装置１５に内蔵されている。
【００１９】
また、上記はんだ付けヘッド１３におけるファイバー接続部２３には、光ファイバー２６の端部からハーフミラー２１に向けて投射されるレーザービームＢのビーム径をはんだ付け条件に応じて大小に切り換えるための、シャッター３０が設けられている。このシャッター３０は、大小径の異なる複数の導光孔３１を備えていて、ケーシング１７内の上記光ファイバー２６の先端に近接する位置に変移自在なるように取り付けられており、それを変移させて光ファイバー２６に対面する導光孔３１を切り換えることにより、該光ファイバー２６から出力されるレーザービームＢのビーム径を大小に切り換えるものである。この場合に上記シャッター３０は、複数の導光孔３１を一列に並べて形成し、該シャッター３０を直線的にスライドさせて上記導光孔３１を切り換えるように構成しても、複数の導光孔３１を円弧状に並べて形成し、円弧の中心を支点として該シャッター３０を回動させることにより上記導光孔３１を切り換えるように構成しても良い。なお、このシャッター３０の無孔の部分を利用してレーザービームＢを遮断できるようにしておくことが望ましい。
【００２０】
一方、上記カメラ１９には、撮像したはんだ付け対象１４の画像を画面上に拡大して映し出すためのモニター３３が接続されている。このモニター３３は、図３からも分かるように、レーザービームＢの光軸Ｌ上に位置する投射スポット３４を、縦横それぞれ２本ずつの罫線３５ａ，３５ａ及び３５ｂ，３５ｂで囲まれた部分によって表示できるようになっている。そして、この画面上で上記はんだ付け対象１４と上記投射スポット３４との位置関係を観察しながら、可動アーム１２を操作してはんだ付けヘッド１３の位置を微調整することにより、上記はんだ付け対象１４と投射スポット３４とをはんだ付けのための適正な位置関係となるように位置決めするものである。即ち、位置決め前の画像である図３（Ａ）に示すように、投射スポット３４がプリント基板１上の金属パターン３と電子部品４のコネクターピン５の両方に正しい割合で重なっていない状態から、この画像を見ながらはんだ付けヘッド１３の位置を微調整して投射スポット３４を変移させることにより、同図（Ｂ）に示すように、上記投射スポット３４が金属パターン３とコネクターピン５の両方に適正な割合で重なるようにその位置決めを行うものである。
【００２１】
かくして投射スポット３４の位置決めを行った後にはんだ付けヘッド１３からレーザービームＢを投射してはんだ付けすると、該レーザービームＢは上記投射スポット３４の位置に投射されるため、上記金属パターン３とコネクターピン５とが非常に高い精度で確実にはんだ付けされることになる。
【００２２】
なお、上記の如く投射スポット３４の位置決めを行う場合、上記投射スポット３４は罫線３５ａ，３５ａ及び３５ｂ，３５ｂのみによって表示され、その部分に実際にレーザービームＢは投射されない。しかし、必要に応じてレーザービームＢを出力を落とした状態で投射しても良い。また、上記投射スポット３４の大きさは罫線の間隔を調整することによって変更することができる。従って、金属パターン３やコネクターピン５の形状や大きさなどの条件に応じて最適な投射スポット３４の径を選択することができ、それに基づいてレーザービームＢのビーム径が上記シャッター３０により大小に切り換えられる。
【００２３】
上記位置決め作業を行うときにはんだ付け対象１４を照らすため、観察用照明機構４０が設けられている。この観察用照明機構４０は、光源４１からの光を光ファイバー４２ではんだ付け対象１４の近くに設置されている光学ヘッド４３まで導き、この光学ヘッド４３から上記プリント基板１等のはんだ付け対象１４に向けて照射するものである。しかし、通常のランプで直接はんだ付け対象１４を照らすようにしても良い。
【００２４】
上記はんだ付けヘッド１３にはまた、はんだ付け部分に糸状はんだ４６を供給するためのはんだ供給機構４５と、窒素ガス等の不活性ガスを噴射するためのガス供給機構４７とが付設され、上記制御装置１５でそれらの動作が制御されるようになっている。
【００２５】
上記はんだ供給機構４５は、リールに巻いた糸状はんだを必要量ずつ繰り出す供給部４９と、該供給部４９からの糸状はんだ４６をはんだ付け対象１４に向けて送り込むためのはんだガイド５０とを含み、このはんだガイド５０で供給される糸状はんだ４６を上記レーザービームＢで溶融させてはんだ付けするものである。この場合、上記はんだガイド５０にヒーターを設け、このヒーターで糸状はんだ４６を予備加熱するように構成することが望ましい。また、上記糸状はんだ４６としては、鉛成分を含まない鉛フリーはんだを使用することが望ましい。
【００２６】
一方、上記ガス供給機構４７は、窒素ガス等の不活性ガスを配管５１を通じて供給するためのガス供給源５２と、このガス供給源５２からの不活性ガスを予備加熱するためのヒーター５３とを有し、このヒーター５３で予備加熱された高温のホット不活性ガスをガス噴射口５４からはんだ付け対象１４に向けて噴射するものである。
【００２７】
上記ガス噴射口５４は、はんだ付けヘッド１３におけるケーシング１７の先端に設けられていて、レーザービームＢを投射するための上記投射口１８によって兼用されている。また、上記ケーシング１７の先端部側面には、上記配管５１を接続するためのポート５５が設けられ、このポート５５が通孔５６によって上記投射口１８に連通している。そして、この投射口１８即ちガス噴射口５４を通じてホット不活性ガスを、レーザービームＢの光軸Ｌに沿ってはんだ付け対象１４に噴射できるようになっている。しかし、上記ガス噴射口５４は投射口１８とは別に設けても良く、この場合、投射口１８の回りを取り囲むように形成することが望ましい。
【００２８】
かくしてホット不活性ガスを噴射しながらはんだ付けを行うことにより、レーザービームＢがホット不活性ガスで回りを完全に包み込まれて冷気との接触による温度低下が防止されると共に、このホット不活性ガスではんだ付け対象１４の補助加熱が行われるため、レーザービームＢのエネルギーを有効に利用して効率良くはんだ付けすることができる。しかも、不活性ガス雰囲気中において大気からシールドした状態ではんだ付けを行うことができるため、はんだの酸化や不良はんだが防止されるだけでなく、フラックスの飛散や残渣が減少し、はんだ付け精度が向上する。この不活性ガス中には、水素ガスのような還元性ガスを混合することができる。
【００２９】
上記構成を有するはんだ付け装置で例えば図４（Ａ），（Ｂ）に示すようなプリント基板１のはんだ付けを行う場合は、先ず、第１番目のはんだ付けポイントにおいて、レーザービームＢが金属パターン３とコネクターピン５の両方に適正な割合で投射されるように、それらの位置決めを行う。この位置決めは、はんだ付けヘッド１３に取り付けられたカメラ１９で上記第１番目の金属パターン３とコネクターピン５とを撮像し、図３（Ａ）に示すようにその画像をモニター３３の画面上に映し出し、この画面を見ながら、制御装置１５により可動アーム１２を動かしてはんだ付けヘッド１３の位置を微調整することにより、図３（Ｂ）に示すように、画面上に罫線３５ａ，３５ａ及び３５ｂ，３５ｂで表示された投射スポット３４が金属パターン３とコネクターピン５の両方に適正な割合で重なるように調整することにより行う。
【００３０】
そして、上記位置決めが完了したあと、制御装置１５のはんだ付け開始ボタンを押すと、はんだ付けヘッド１３からレーザービームＢが投射されると共に、はんだガイド５０から糸状はんだ４６が必要量ずつ自動的に供給され、さらに、はんだ付けヘッド１３の先端のガス噴射口５４から高温のホット不活性ガスがはんだ付け対象１４に向けて噴射され、この不活性ガスの雰囲気中ではんだ付けが行われる。この場合、上記金属パターン３の配置や配列間隔、数などの、自動運転に必要な諸条件を予めティーチングによって制御装置１５に設定しておくことにより、第１番目のはんだ付けポイント上で上記位置決めを行うことで、その位置関係を保ったまま各はんだ付けポイントが次々と自動的にはんだ付けされることになる。
【００３１】
かくして、モニター３３の画面上に拡大表示されたはんだ付け対象１４とレーザービームＢの投射スポット３４との位置関係を確認しながら、それらの位置決めを行うことにより、微細なはんだ付けポイントを斜め上方から肉眼で観察しながら位置決めする従来方法に比べ、位置決め作業を短時間で非常に精度良く行うことができ、この結果、そのあとのはんだ付けの精度も向上するだけでなく、はんだ付け作業全体に要する時間も大幅に短縮されて作業効率が向上する。
【００３２】
また、はんだ付けヘッド１３に撮像用のカメラ１９をレーザービームＢと光軸Ｌを共有させて取り付けることにより、該はんだ付けヘッド１３をレーザービームＢの投射用とカメラ１９による撮像用とに共用しているため、その構造が簡単かつ合理的で、はんだ付け対象１４とレーザービームＢの投射スポット３４との位置決めを簡単かつ精度良く行うことができるだけでなく、位置決めが完了したあとそのまま直ちにレーザービームＢによるはんだ付け作業に移行することができ、位置決め後にカメラ１９を別の非使用位置に移動させる必要がない。
【００３３】
しかも、位置決めに当たって実際にレーザービームＢを投射する必要がないため、レーザービームＢに可視光域がない場合でも、Ｈｅ−Ｎｅレーザー等でわざわざ可視光を作ってそれを疑似的に投射する必要がなく、位置決め作業を簡単かつ安全に行うことができる。
【００３４】
なお、上記実施例では、糸状はんだ４６を使用する例が示されているが、溶融状態にあるクリーム状はんだをノズル状のはんだガイドから供給、塗布しながらはんだ付けするように構成することもできる。あるいは、はんだ付けポイントに予め塗布してあるクリーム状はんだをレーザービームで溶融させてはんだ付けするように構成することもできる。
【００３５】
また、上記実施例は、はんだ付け対象１４を基台１０上に固定的にセットし、ロボットの可動アーム１２に取り付けたはんだ付けヘッド１３を動かしてレーザービームＢの位置決めとはんだ付けとを行うようにしているが、はんだ付け対象１４をＹ−Ｙテーブル上に載置すると共に、はんだ付けヘッド１３をＺ方向に移動可能とし、レーザービームＢの位置決め時には上記Ｙ−Ｙテーブルによりはんだ付け対象１４を変移させ、はんだ付け時にはＹ−Ｙテーブルとはんだ付けヘッド１３とを動かすようにしても良い。
【００３６】
さらに、上記実施例では、手動操作ではんだ付けヘッド１３又ははんだ付け対象１４を変移させることによってレーザービームＢの位置決め行うようにしているが、カメラ１９が撮像した画像を制御装置１５に内蔵した画像処理装置に取り込み、この画像処理装置で金属パターン３及びコネクターピン５と投射スポット３４とが適正な位置関係となるように画像処理を施すと共に、それに応じてはんだ付けヘッド１３とはんだ付け対象１４とを自動的に相対変移させることによって位置決めするように構成することもできる。
【００３７】
【発明の効果】
このように本発明によれば、はんだ付け対象にレーザービームを投射してはんだ付けするに当たり、上記レーザービームの投射位置の位置決めを短時間で簡単かつ精度良く行うことができると共に、その後のはんだ付けの精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るはんだ付け装置の一実施形態を示す側面図である。
【図２】はんだ付けヘッドの拡大断面図である。
【図３】（Ａ），（Ｂ）は、モニター画面に映し出された位置決め前の画像と位置決め後の画像を示す正面図である。
【図４】（Ａ）はんだ付け対象の側面図、（Ｂ）はその平面図である。
【図５】図４のはんだ付け対象の一部を拡大して示す平面図である。
【符号の説明】
Ｂ レーザービーム
Ｌ 光軸
１２ 可動アーム
１３ はんだ付けヘッド
１４ はんだ付け対象
１５ 制御装置
１７ ケーシング
１８ 投射口
１９ カメラ
２０ａ，２０ｂ 光学レンズ
２１ ハーフミラー
２３ ファイバー接続部
２５ レーザー機構
２６ 光ファイバー
３０ シャッター
３３ モニター
３４ 投射スポット
４６ 糸状はんだ
４７ ガス供給機構
５１ 配管
５４ ガス噴射口
Claims (7)
- はんだ付け用のレーザービームをはんだ付け対象に向けて投射するためのはんだ付けヘッドに、上記レーザービームと光軸を一致させて撮像用のカメラを取り付け、このカメラではんだ付け対象を撮像してその画像をモニター画面上に映し出すと共に、このモニター画面上に、上記レーザービームの投射位置及び径を設定するための投射スポットを、該レーザービームの光軸上に位置して大きさを変更可能なるように表示し、このモニター画面上ではんだ付け対象と投射スポットとの位置関係を観察しながら、上記はんだ付けヘッドとはんだ付け対象とを相対的に変移させて上記投射スポットの位置決めを行うと共に該投射スポットの大きさの調整を行ったあと、上記はんだ付けヘッドからはんだ付け対象に、上記投射スポットに応じたビーム径のレーザービームを投射してはんだ付けすることを特徴とするレーザー式はんだ付け方法。
- 請求項１に記載のはんだ付け方法において、上記はんだ付けヘッドに設けたガス噴射口から、所要の温度に予備加熱されたホット不活性ガスをレーザービームの光軸に沿って噴射しながらはんだ付けすることを特徴とするはんだ付け方法。
- はんだ付け用のレーザービームをはんだ付け対象に向けて投射するためのはんだ付けヘッド、
上記はんだ付けヘッドに接続されたレーザー機構、
上記はんだ付けヘッドにレーザービームと光軸を一致させて取り付けられた撮像用のカメラ、
上記カメラが撮像したはんだ付け対象の画像を画面上に映し出すと共に、この画面上に、上記レーザービームの投射位置及び径を設定するための投射スポットを、該レーザービームの光軸上に位置して大きさを変更可能なるように表示するためのモニター、
上記投射スポットに応じてレーザービームのビーム径を切り換えるための切換手段、
上記はんだ付け対象とはんだ付けヘッドとを相対的に変移させることによって上記投射スポットの位置決めを行うと共に、該投射スポットの大きさを調整する制御装置、
を有することを特徴とするレーザー式はんだ付け装置。 - はんだ付け用のレーザービームをはんだ付け対象に向けて投射するためのはんだ付けヘッド、
上記はんだ付けヘッドに接続されたレーザー機構、
上記はんだ付けヘッドをはんだ付け対象に沿って変移自在なるように支持する可動アーム、
上記はんだ付けヘッドにレーザービームと光軸を一致させて取り付けられた撮像用のカメラ、
上記カメラが撮像したはんだ付け対象の画像を画面上に映し出すと共に、この画面上に、上記レーザービームの投射位置及び径を設定するための投射スポットを、該レーザービームの光軸上に位置して大きさを変更可能なるように表示するためのモニター、
上記投射スポットに応じてレーザービームのビーム径を切り換えるための切換手段、
上記可動アームを制御して投射スポットの位置決めを行うと共に、該投射スポットの大きさを調整するための制御装置、
を有することを特徴とするレーザー式はんだ付け装置。 - 請求項３又は４に記載のはんだ付け装置において、上記はんだ付けヘッドが、レーザービーム用投射口を先端に有する筒状のケーシングと、該ケーシングの内部に配設された光学レンズと、該光学レンズよりもケーシング基端部寄りの位置に光軸に対して４５度傾斜させて配設されたハーフミラーとを有していて、該ケーシングの基端部に上記カメラが、これらのハーフミラー及び光学レンズを通して上記投射口からはんだ付け対象を撮像可能なるように取り付けられると共に、ケーシングの側面の上記ハーフミラーに対応する位置に形成されたファイバー接続部に、上記レーザー機構からのレーザービームをハーフミラーに向けて出力するための光ファイバーが接続されていることを特徴とするはんだ付け装置。
- 請求項５に記載のはんだ付け装置において、上記はんだ付けヘッドにおけるファイバー接続部に、光ファイバーから出力されるレーザービームのビーム径を切り換えるための上記切換手段を有することを特徴とするはんだ付け装置。
- 請求項３から６までの何れかに記載のはんだ付け装置において、上記はんだ付けヘッドが、不活性ガスをレーザービームの光軸に沿って噴射するためのガス噴射口を有していて、このガス噴射口に、予備加熱されたホット不活性ガスを供給するためのガス供給機構が接続されていることを特徴とするはんだ付け装置。
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